薄壁鋼部件相控陣檢測國際標準14大方面全解讀

2019/11/1 2:35:16

目前ISO相控陣焊縫檢測共有3個相關標準:

01

ISO 13588:2019《焊縫無損檢測-超聲檢測-使用自動相控陣技術》是一個焊縫相控陣檢測的方法標準,適用于半自動或全自動相控陣超聲檢測最小壁厚為6 mm的金屬焊接接頭,該標準為第二版,是在2012年第一版基礎上進行的技術修訂。

02

ISO 19285:2017《焊縫無損檢測-超聲相控陣檢測-驗收等級》是一個焊縫相控陣檢測的驗收標準,規定了最小壁厚為6 mm的鐵素體鋼全熔透焊縫的相控陣超聲檢測驗收等級,這些驗收等級可應用于根據ISO 13588:2019進行分類指示的驗收。

03

對于鍋爐管道及常見的小徑管,典型的壁厚取值范圍為3.2~8 mm,壁厚為6 mm以下的管道焊縫無法按照ISO 13588:2019進行檢測。因此ISO于2018年制定并頒布了ISO 20601:2018《焊縫無損檢測-超聲檢測-使用自動相控陣技術檢測薄壁鋼部件》,規定了壁厚范圍為3.2~8 mm的鋼部件金屬熔化焊接頭的半自動或全自動相控陣超聲檢測的應用。當對壁厚范圍為6~8 mm之間的焊縫進行相控陣檢測前,應在產品技術規范中規定所使用的檢測方法標準和等級。


1

ISO 20601:2018解讀

01

適用范圍

此標準規定了使用半自動或全自動相控陣超聲技術檢測壁厚為3.2~8 mm的鋼部件熔焊焊接接頭的應用方法。如果壁厚范圍超出最小值或最大值的要求,應當采用此標準中的檢測等級D級。


雖然此標準的板厚范圍主要是基于鍋爐管道典型壁厚的取值范圍,但其適用范圍不局限于此。ISO 20601:2018標準適用于母材和焊縫材料都是低合金或細晶粒鋼的板、管和容器的簡單幾何形狀全熔透焊接接頭。超聲參數與工件材料相關,此標準中的超聲參數是基于縱波聲速范圍為(5920±50) m/s,橫波聲速范圍為(3255±30) m/s的鋼材料。聲速不同會導致折射角和回波反射率不同,當檢測聲速不同的材料時,應考慮該因素。


此標準提供了對熔焊接頭進行相控陣檢測時,在檢測、定位、定量和不連續表征方面的特定能力及局限性的指導;描述了用于驗收目的的缺欠評估,包括位置、長度、高度和缺欠類型。但標準中未包含缺欠的驗收等級,因此在檢測前,各相關方需要明確缺欠的評估方法并制定驗收標準。

02

檢測等級

焊接接頭的質量要求主要與材料、焊接工藝和服務條件相關。為了適應這些要求,標準規定了兩個檢測等級(C級和D級)。對于這兩個檢測等級,都強制性要求編制書面檢測規程。


檢測等級C級適用于薄壁部件的標準化檢測方法,如從焊縫兩側進行檢測或將焊縫磨平后從一側進行檢測。當采用檢測等級C級時,可不在演示試塊上進行驗證。


檢測等級D級適用于經協商同意的特殊應用,如檢測壁厚小于3.2 mm時,壁厚改變、檢測溫度超出0°~50°范圍時。當采用檢測等級D級時,應在演示試塊上進行驗證。


通常情況下,檢測等級與質量等級相關。適宜的檢測等級可在焊縫檢測標準(如ISO 17635:2016《焊縫無損檢測——金屬材料通用規則》)、產品標準或其他規范中指定。當指定采用ISO 17635:2016時,推薦的檢測等級在表1中給出。

表2給出了檢測等級C級和D級采用單個檢測模式時的最低要求(如果規范要求檢測橫向缺欠,應適當增加附加檢測設置,可采用探頭扭轉或電子扭轉波束掃描)。檢測設置需要使用參考試塊或演示試塊進行驗證。如果僅可從單面(如容器的外表面,小徑管外表面)掃查,至少應采用半跨距和全跨距進行檢測。如果可從雙面(如頂部表面和底部表面)進行掃查,可以只使用半跨距。

如果評估缺欠時僅基于波幅,在設置時,波束軸偏離焊縫坡口垂線的角度應不超過6°。如果因被測工件的幾何尺寸(如焊縫蓋面,窄間隙焊縫)導致偏離角度超出6°,應在掃查計劃中描述測量修正過程,并闡述怎樣保證6°以外的區域有足夠的靈敏度覆蓋。

03

書面檢測規程

所有的檢測等級都要求有書面檢測規程。書面檢測規程應至少包含以下信息:檢測目的和范圍、檢測技術、檢測等級、人員資格鑒定,培訓要求、所用的檢測設備(包括頻率、采樣率、陣元間距、陣元尺寸)、參考或演示試塊、校準和參考掃查示例、檢測設備的靈敏度和范圍設置、可接近性和檢測表面條件、母材檢測、指示的評估、驗收等級或記錄等級、報告要求、環境安全事宜以及掃查計劃等。掃查計劃應顯示探頭的位置、探頭的移動方式和工件的覆蓋,以提供一個標準化的、可重復的焊縫檢測方法。掃查計劃還應包括焊縫的厚度和幾何形狀,使用的波束角度相對于焊縫中心線的波束方向,以及每條焊縫的檢測區域。

04

檢測設備及配件

此標準中沒有給出檢測設備及配件的具體參數要求,只是提出用于相控陣檢測的超聲波設備應符合ISO 18563:2017《無損檢測-超聲相控陣設備的特性和驗證》的要求。


探頭可以使用縱波、橫波和爬波,探頭的頻率最少應為5 MHz,頻率應與工件厚度相匹配。工件較厚時選用低頻探頭。


當檢測彎曲表面時,探頭與曲面的匹配應符合ISO 17640:2017《焊縫無損檢測-超聲檢測-技術檢測等級與評定》的要求。探頭應配備有探頭靴,探頭靴應能有效匹配檢測面的曲率,探頭靴底部與檢測彎曲表面的間隙應不大于0.5 mm。


因工件曲率對聲束有影響,沿著焊縫方向的波束寬度應合適(例如:使用幾何或電子波束聚焦),以便根據指定的驗收標準來測定不連續的長度。


為了實現相控陣成像(數據采集)的一致性,應使用導向裝置和掃查編碼器。探頭和焊縫中心線的距離應保持恒定,最大允許誤差為±1 mm。否則,應在參考試塊上驗證其適用性。

05

檢測前準備

首先應確定檢測區域,檢測區域范圍應規范確定。在制造階段的檢測,檢測的區域應包括焊縫及焊縫每側至少1.25T(板厚)的母材區域(激光焊或電子束焊為T),或經證實的熱影響區寬度。應使用掃查計劃來記錄區域覆蓋,并證實聲束能夠完全覆蓋被檢測區域。在適用時或D級檢測時,應使用參考試塊和演示試塊來驗證檢測設置的能力。當檢測復雜幾何結構的焊縫時(如不等厚材料的焊接對接、材料以一定角度連接或管嘴焊縫),應仔細編制檢測計劃,并按照檢測等級D級執行。


其次是掃查表面的準備。應清理足夠寬度的掃查表面,以確保完全覆蓋被檢測區域。掃查面應平整,應無影響探頭耦合的外來物(如銹蝕、松散氧化皮、飛濺、缺口、溝槽等)。檢測表面的條件應保證探頭和測試工件的表面間隙不得超過0.5 mm。必要時,應通過修磨掃查表面來保證要求的滿足。機加工工件的表面粗糙度Ra不應超過6.3 μm,噴丸表面粗糙度Ra不應超過12.5 μm。當有涂層(如油漆等)且不能移除時,演示試塊需帶有相應的涂層,同時應指定和使用相應的修正措施。測試工件的表面溫度應在0°~50°之間。如果測試工件的表面溫度在該范圍之外,應當使用特殊的高溫相控陣探頭和耦合劑,并驗證儀器的適用性。


耦合劑在探頭和測試工件之間提供穩定的超聲傳輸。校準時使用的耦合劑應與后續檢測過程中及檢測后校準的耦合劑相同。

06

母材檢測

掃查區域的母材應經過檢測,確保母材中存在的不連續不會影響焊縫的斜聲束檢測。當母材中發現不連續時,應評估不連續對預定的斜聲束檢測的影響。必要時,需對檢測技術做出相應的調整。當標準要求的超聲檢測覆蓋率受到嚴重影響時,應考慮其他的檢測技術(如射線檢測)。

07

范圍和靈敏度設置

每次檢測前均應按照標準進行范圍和靈敏度的設置。相控陣設置參數的任何變化,例如探頭位置和偏轉角度的變化,都需要重新設置。當使用A掃時,對于參考信號應進行優化,使其至少具有12 dB的信噪比,或者當使用相控陣圖像時,信噪比至少為6 dB。


(1)

范圍或脈沖回波時間窗口的設置。用于脈沖回波信號的時間窗口應覆蓋整個關注區域,并應在書面檢測規程中做出規定,應確保聲束的組合能夠完全覆蓋關注區域。


(2)

靈敏度設置。脈沖回波靈敏度設定時,需要先選擇掃描模式(線掃描,扇掃描),然后對相控陣探頭產生的每個聲束(聲束角,焦點等)進行靈敏度設置。當探頭帶楔塊使用時,靈敏度設置時應使用同一楔塊。相控陣探頭可以使用不同的聚焦模式,如靜態聚焦和動態深度聚焦(DDF)。當聚焦時,應對每個聚焦聲束進行靈敏度設置。角度增益修正(ACG)和時間增益修正(TCG)能使所有聲束角度的信號顯示具有相同的波幅,從而實現增益修正。每個生成聲束的參考靈敏度設置可以使用橫孔來建立DAC或TCG,包括傳輸修正。


(3)

設置的復核。每檢測4 h和檢測完成后,應進行設置復核。如果單個檢測任務時間超過4 h,則應在檢測完成后進行復核設置。初始設定時如采用參考試塊,復核時應采用相同的參考試塊。或者,也可以使用體積較小、傳輸特性已知的試塊。設備復核時應驗證超聲相控陣系統的所有相關通道、探頭和電纜線,以確認其處于良好的工作狀態,這些復核應在每日檢測前和檢測后進行。如果系統的任何部分失效,應采取修正措施,并重新測試系統。如在復核中發現與設置的初始值有偏離,應按照表3進行修正。

08

參考試塊

檢測等級C級和D級應使用參考試塊,用來設置靈敏度及確認檢測的完整性(如:覆蓋)。推薦采用如圖1和圖2所示的參考試塊。圖1中R是與被測工件曲率接近的參考試塊曲率(對于工件直徑D>600 mm,試塊的頂部可以采用平面),如考慮到超聲聲程和靈敏度的修正,給定的參考試塊可覆蓋到其自身曲率70%~100%的工件曲率范圍。


圖1中的試塊優先用于時間延遲和TCG的設置及修正,也可用于制作DAC或TCG,以及復核時間延遲(相對于探頭靴磨損)和入射點。

圖1 典型的橫孔參考試塊結構示意


對于靈敏度設置,推薦使用如圖2所示的環焊縫參考試塊(圖中,Dr為參考試塊的直徑;tr為參考試塊的厚度;l1為橫孔的長度;l2為刻槽的長度)。這種試塊用于復核探頭的偏置、復核檢測區域、調整范圍和檢測靈敏度、復核設置以及進行傳輸修正等。試塊的長度≥150 mm,厚度范圍為0.8tr~1.2tr,直徑D的范圍為0.8Dr~1.2Dr。如果沒有其他反射體或管末端的回波干擾,反射體可加工在一根完整的管子上或管子的一部分上。作為一種選擇,可使用沿焊縫坡口朝向的平底孔(直徑為0.6 mm)。

圖2 典型環焊縫參考試塊結構示意


參考試塊的材料應選用與被檢工件(考慮聲速、晶粒結構和表面狀態)相同材料組的材料。


參考試塊的尺寸和形狀要求。至少應有一個參考試塊的厚度與被測工件相同,并符合規定的材料公差。參考試塊的曲率應類似于被檢工件的曲率,且在一定曲率范圍內。對于圓柱形工件的縱向焊縫檢測,應使用曲面參考試塊,其直徑應在被檢工件直徑的0.8~1.2倍范圍內。對于直徑不小于300 mm的被檢工件,可采用平的參考試塊。應注意,所有直徑或曲率都應保證探頭靴和參考試塊的最大間隙不超過0.5 mm。所選參考試塊的長度和寬度應能確保所有人工反射體均可被正確掃查。


參考試塊的參考反射體要求。圖1所示的參考試塊應至少包含2個橫孔(SDH),圖2所示的參考試塊應至少包含1個橫孔(SDH)和兩個刻槽。兩個刻槽也可用兩個平底孔(FBH)或兩個圓底孔(RBH)替代。橫孔和刻槽的長度應不小于波束的寬度。表4給出了典型環焊縫參考反射體的推薦尺寸。

當刻槽用于靈敏度設置時,波束角度不同,波幅會受到嚴重影響,應避免使用可能發生波形轉換的波束角度。對于鋼中的橫波,入射角小于33°時會產生波形轉換。對于角反射,如槽,或入射角大于57°的波束角也會受到影響。刻槽也可用于被測區域的覆蓋演示。

09

檢測等級D級用演示試塊

當應用檢測等級D級時,除了使用參考試塊外,還需使用演示試塊以確認檢測的適當性(如覆蓋和靈敏度設置)。如演示試塊滿足參考試塊中指定的全部參考反射體,可取代參考試塊。演示試塊應選用與被檢工件(考慮聲速,晶粒結構和表面狀態)相同材料組的材料制作。演示試塊應含有與被測工件相同焊接工藝、相同焊材、相似幾何形狀的焊縫,演示試塊的厚度應與被測工件相同。演示試塊的曲率應該等于被測工件的曲率。演示試塊的長度和寬度應能確保所有需要的參考反射體能被有效掃查。


演示試塊應包含在真實焊縫內或焊縫處的反射體,這些反射體應能代表可能產生的缺陷。可用的兩種反射體類型為:真實不連續(人為設計、焊接形成的缺陷)和人工不連續(機加工反射體,如槽、橫孔和平底孔)。通常優先選用真實的不連續,或者也可使用人工不連續。不連續的類型和所需數量應得到合同雙方的認可。

10

檢測規程驗證

當檢測等級為D級時,要求進行規程驗證。檢測規程需要在演示試塊上進行演示,來驗證規程的可接受性。在首次檢測前,應完成令人滿意的工藝規程驗證。滿意的工藝規程驗證包括:所有的反射體都能被檢出、規定的波幅區分能力以及深度和寬度的覆蓋驗證。

11

焊縫檢測

初始檢測前,應使用掃查計劃核實波束的覆蓋,并在合適的參考試塊上演示。對于探頭位置相對于焊縫中心線可接受的偏差范圍,應在檢測規程中指定,并包含在掃查計劃中,且在參考試塊上標明。


沿著焊縫方向的掃查步進不應超過0.5 mm。檢測等級D級可以指定其他掃查步進,但需要證明所設的掃查步進是合理的。橫向缺欠檢測時,為確保被檢測區域的覆蓋,應選擇垂直于焊縫方向的掃查步進。


在初始掃查時,檢測到的一些指示可能需要附加評估,如偏置掃查和垂直于不連續掃查,應補充相控陣掃查設置。


選擇的掃查速度應能產生令人滿意的圖像。掃查速度選擇取決于許多因素,如延遲法則數量、掃查分辨率、脈沖重復頻率、數據采樣率和被檢測區域等。掃查線的缺失意味著所用的掃查速度過高。在單次掃查過程中,最多允許總掃查線的5%缺失,但不允許相鄰掃查線缺失。


當焊縫總長度范圍內分為多個部分掃查時,在相鄰掃查之間至少需要20 mm的重疊。當掃查環焊縫時,第一次掃查的始端和最后一次掃查的末端需要同樣的重疊。


必要時,進行耦合效果監控。

12

數據存儲

應使用基于自動計算機數據采集的裝置來進行超聲波檢測。所有覆蓋檢查區域的A掃數據應存儲,所有數據設置及設置參數應包含在數據記錄中。所有數據都必須在指定的時間內存儲。

13

相控陣數據的解釋和分析

典型的相控陣數據解釋和分析可按如下要求進行:評估相控陣數據的質量、識別相關指示、按照規定對相關不連續分類、根據規定確定不連續位置和大小以及按照驗收標準評估不連續。

01

評估相控陣數據的質量

相控陣檢測應產生令人滿意的圖像,以便進行更加可靠的評估。可通過耦合、范圍(時基)設置、靈敏度設置、信噪比、飽和指示和采集的數據來評估。相控陣成像質量的評估需要有技能和經驗的操作人員,操作人員應能確定不滿意的成像是否需要重新進行數據采集(重新掃查)。

02

相關指示的識別

相控陣成像包括了焊縫中的不連續和被測工件的幾何特征,為了區別指示和幾何特征,需要了解被測工件的具體信息。為了確定一個指示是否是相關指示(由焊縫中不連續導致),應考慮反射體的形狀、相對于噪聲水平的信號波幅,并評估相控陣成像的模式或擾動情況。

03

相關指示的分類

相關指示的波幅、位置和模式包含了相關不連續類型的信息。相關指示應按照規定進行分類。

04

指示的位置和長度確定

應通過采集的數據確定不連續是平行于焊縫軸線、垂直于焊縫軸線,還是焊縫厚度方向上的位置。不連續的長度定義為沿著焊縫的尺寸。測長法應按照應用的驗收等級執行。當檢測小徑管的環焊縫時,沿外表面測量的長度要比實際的不連續長度長,尤其是較深的深度(如根部不連續),可使用下式進行修正:

lc=l×(OD-2d)/OD

式中:lc為修正后的長度;ls為沿表面測量的長度;OD為外徑;d為指示深度。

05

指示的評估

當指示高度可被直接測量時,如利用衍射信號,當為首選。如無衍射信號存在或可用時,則使用波幅進行評估。


(1) 基于波幅和長度的評估。波幅降低法可用于指示高度和長度的確定,對每個特定指示信號的最大波幅應根據規定的此類指示的驗收等級進行評估。


(2) 基于高度和長度的評估。指示的高度是指示在壁厚方向的尺寸,對于長度方向上高度不同的指示,其高度應為指示長度范圍內,高度分離最大時的掃查位置。如果要求更高精度,可使用重建算法。


(3) 不連續的表征。指示的回波模式、位置和方向可用于確定相關不連續的類型。

06

基于驗收標準的評定

所有相關指示分類、確定其位置和長度并進行評估后,按照規定的驗收標準進行評定。指示可分為“接受”或“不可接受”。

14

檢測報告

檢測報告的內容至少包含以下信息:對ISO 20601:2018的引用;被測工件的相關信息;檢測設備相關信息;檢測技術相關信息;相控陣設置的相關信息;檢測結果相關信息。

2

結 語

ISO 20601:2018為薄壁鋼部件相控陣檢測提供了依據,為檢測結果的正確性評定奠定了基礎。使用時應注意,此標準為檢測方法標準,沒有規定檢測結果的驗收。檢測開始前,應在產品技術規范中,協商規定驗收標準。

作者:金磊

(工程師,在煙臺中集來福士海洋工程有限公司要從事無損檢測應用工作。)

來源:《無損檢測》2019年9期


文本標簽:相控陣,焊縫,檢測,啄木鳥檢測

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